JP2017147123A - Microwave ion source and ion generation method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for controlling an extraction form of ions extracted from a plasma chamber.SOLUTION: A microwave ion source 10 comprises: a plasma chamber 12 having a microwave introduction part 26 for introducing microwaves into a plasma chamber 12 in an axial direction, an ion extraction part 22 provided at a position opposed to the microwave introduction part 26 in the axial direction and a side wall part 20 connecting between the microwave introduction part 26 and the ion extraction part 22; an axial direction magnetic field generator 16 provided outside the plasma chamber 12 and generating an axial direction magnetic field in the plasma chamber 12; and a cusp field generator 50 provided outside the plasma chamber 12 and generating a cusp magnetic field in the plasma chamber 12. The cusp field generator 50 is arranged to be able to switch a cusp magnetic field intensity in the plasma chamber 12.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、マイクロ波イオン源およびイオン生成方法に関する。   The present invention relates to a microwave ion source and an ion generation method.

マイクロ波をプラズマ生成に用いるイオン源が知られている。真空のプラズマ室にマイクロ波が軸方向に導入され、軸方向に磁場が印加される。プラズマ室に供給された原料ガスがマイクロ波および磁場によって励起されプラズマが生成される。生成されたプラズマからイオンが引き出される。   Ion sources that use microwaves for plasma generation are known. Microwaves are introduced into the vacuum plasma chamber in the axial direction, and a magnetic field is applied in the axial direction. The source gas supplied to the plasma chamber is excited by a microwave and a magnetic field to generate plasma. Ions are extracted from the generated plasma.

特開２０００−１７３４８６号公報JP 2000-173486 A

プラズマ室内では、価数の異なるイオンが生成され、原料ガスの種類によっては分子構造の異なるイオンが生成されうる。例えば、原料ガスとして三フッ化ホウ素（ＢＦ３）を用いる場合、Ｂ＋、Ｂ２＋、ＢＦ２ ＋などのイオンが生成されうる。プラズマ室からは、使用目的に合った価数、種類のイオンが引き出されることが望ましい。 In the plasma chamber, ions having different valences are generated, and ions having different molecular structures can be generated depending on the type of the source gas. For example, when using boron trifluoride as a raw material gas (BF 3), B +, B 2+, ions such as BF 2 + can be generated. From the plasma chamber, it is desirable to extract ions of a valence and a kind suitable for the purpose of use.

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、プラズマ室から引き出されるイオンの引出態様を制御する技術を提供することにある。   One of the exemplary purposes of an embodiment of the present invention is to provide a technique for controlling the extraction mode of ions extracted from a plasma chamber.

上記課題を解決するために、本発明のある態様のマイクロ波イオン源は、プラズマ室内にマイクロ波を軸方向に導入するためのマイクロ波導入部と、マイクロ波導入部と軸方向に対向する位置に設けられるイオン引出部と、マイクロ波導入部とイオン引出部の間を接続する側壁部と、を有するプラズマ室と、プラズマ室外に設けられ、プラズマ室内に軸方向磁場を発生させる軸方向磁場発生器と、プラズマ室外に設けられ、プラズマ室内にカスプ磁場を発生させるカスプ磁場発生器と、を備える。カスプ磁場発生器は、プラズマ室内のカスプ磁場強度の切り替えが可能となるように構成される。   In order to solve the above-described problems, a microwave ion source according to an aspect of the present invention includes a microwave introduction unit for introducing a microwave into a plasma chamber in an axial direction, and a position facing the microwave introduction unit in the axial direction. A plasma chamber having an ion extraction portion provided on the side wall and a side wall portion connecting between the microwave introduction portion and the ion extraction portion, and an axial magnetic field generation that is provided outside the plasma chamber and generates an axial magnetic field in the plasma chamber And a cusp magnetic field generator that is provided outside the plasma chamber and generates a cusp magnetic field in the plasma chamber. The cusp magnetic field generator is configured to be able to switch the cusp magnetic field strength in the plasma chamber.

本発明の別の態様は、イオン生成方法である。この方法は、イオン引出部を有するプラズマ室と、プラズマ室外に設けられ、プラズマ室内に磁場を発生させる磁石装置と、プラズマ室と磁石装置の間に配置可能に構成される磁性体と、を備えるイオン源を用いたイオン生成方法であって、磁性体の配置を変えることによりイオン引出部から引き出されるイオンの引出態様を制御する。   Another aspect of the present invention is an ion generation method. This method includes a plasma chamber having an ion extraction portion, a magnet device that is provided outside the plasma chamber and generates a magnetic field in the plasma chamber, and a magnetic body configured to be disposed between the plasma chamber and the magnet device. In the ion generation method using an ion source, the extraction mode of ions extracted from the ion extraction unit is controlled by changing the arrangement of the magnetic material.

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。   Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.

本発明によれば、プラズマ室から引き出されるイオンの引出態様を制御できる。   According to the present invention, the extraction mode of ions extracted from the plasma chamber can be controlled.

実施の形態に係るマイクロ波イオン源の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the microwave ion source which concerns on embodiment. 図１のマイクロ波イオン源の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the microwave ion source of FIG. プラズマ室内にカスプ磁場を印加する場合の磁性体の配置を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically arrangement | positioning of the magnetic body in the case of applying a cusp magnetic field in a plasma chamber. 図３のプラズマ室内に印加されるカスプ磁場を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the cusp magnetic field applied in the plasma chamber of FIG. プラズマ室内に印加するカスプ磁場を増強する場合の磁性体の配置を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically arrangement | positioning of the magnetic body in the case of enhancing the cusp magnetic field applied in a plasma chamber. 図５のプラズマ室内に印加されるカスプ磁場を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cusp magnetic field applied in the plasma chamber of FIG. 図７（ａ）および図７（ｂ）は、変形例に係るカスプ磁場発生器の構成を模式的に示す断面図である。FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views schematically showing the configuration of a cusp magnetic field generator according to a modification.

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description, the same elements are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate.

図１は、実施の形態に係るマイクロ波イオン源１０の構成を模式的に示し、図２は、図１のＡ−Ａ線断面を示す。マイクロ波イオン源１０は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件を満たす磁場またはそれよりも高い磁場を印加したプラズマ室１２にマイクロ波電力Ｃを入力し、高密度プラズマを生成してイオンを引き出すイオン源である。マイクロ波イオン源１０は、磁場とマイクロ波との相互作用によって原料ガスのプラズマを生成し、そのプラズマからプラズマ室１２の外部へイオンを引き出すように構成されている。   FIG. 1 schematically shows a configuration of a microwave ion source 10 according to the embodiment, and FIG. 2 shows a cross section taken along line AA of FIG. The microwave ion source 10 inputs a microwave power C to a plasma chamber 12 to which a magnetic field satisfying electron cyclotron resonance (ECR) conditions or a magnetic field higher than that is applied, and generates a high-density plasma to extract ions. It is. The microwave ion source 10 is configured to generate a plasma of a source gas by the interaction between a magnetic field and a microwave, and to extract ions from the plasma to the outside of the plasma chamber 12.

マイクロ波イオン源１０は、例えばイオン注入装置又は粒子線治療装置のためのイオン源に使用される。マイクロ波イオン源１０は、例えば一価イオン源として使用される。またマイクロ波イオン源１０は、プロトン加速器のためのイオン源、またはＸ線源としても使用されうる。   The microwave ion source 10 is used, for example, as an ion source for an ion implantation apparatus or a particle beam therapy apparatus. The microwave ion source 10 is used as a monovalent ion source, for example. The microwave ion source 10 can also be used as an ion source for a proton accelerator or an X-ray source.

よく知られるように、ＥＣＲ条件を満たす磁場の強さは使用されるマイクロ波の周波数に対し一意に定まり、マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合には８７．５ｍＴ（８７５ガウス）の磁場が必要である。以下では説明の便宜上、ＥＣＲ条件を満たす磁場を、共鳴磁場と呼ぶことがある。   As is well known, the strength of the magnetic field that satisfies the ECR condition is uniquely determined with respect to the microwave frequency used, and a magnetic field of 87.5 mT (875 gauss) is required when the microwave frequency is 2.45 GHz. It is. Hereinafter, for convenience of explanation, a magnetic field that satisfies the ECR condition may be referred to as a resonance magnetic field.

マイクロ波イオン源１０は、プラズマ室１２と、軸方向磁場発生器１６と、カスプ磁場発生器５０とを備える。プラズマ室１２は、その内部空間にプラズマを生成し維持するよう構成されている真空チャンバである。プラズマ室１２の内部空間を以下では、プラズマ生成空間１４と呼ぶことがある。   The microwave ion source 10 includes a plasma chamber 12, an axial magnetic field generator 16, and a cusp magnetic field generator 50. The plasma chamber 12 is a vacuum chamber configured to generate and maintain plasma in its internal space. Hereinafter, the internal space of the plasma chamber 12 may be referred to as a plasma generation space 14.

プラズマ室１２は、両端をもつ筒状の形状を有する。プラズマ室１２の一端から他端に向かう方向を以下では便宜上、軸方向と呼ぶことがある。また、軸方向に直交する方向を径方向と呼び、軸方向を包囲する方向を周方向と呼ぶことがある。しかしこれらは、プラズマ室１２が回転対称性を有する形状であることを必ずしも意味するものではない。また、プラズマ室１２の軸方向長さは、プラズマ室１２の端部の径方向長さより長くてもよいし短くてもよい。   The plasma chamber 12 has a cylindrical shape having both ends. Hereinafter, the direction from one end to the other end of the plasma chamber 12 may be referred to as an axial direction for convenience. In addition, a direction orthogonal to the axial direction may be referred to as a radial direction, and a direction surrounding the axial direction may be referred to as a circumferential direction. However, these do not necessarily mean that the plasma chamber 12 has a rotationally symmetric shape. The axial length of the plasma chamber 12 may be longer or shorter than the radial length of the end portion of the plasma chamber 12.

プラズマ室１２は、イオン引出部２２と、マイクロ波導入部２６と、を備える。イオン引出部２２とマイクロ波導入部２６とは、プラズマ生成空間１４を挟んで対向している。プラズマ室１２は、イオン引出部２２とマイクロ波導入部２６とを接続し、プラズマ生成空間１４を囲む側壁部２０を備える。側壁部２０は、イオン引出部２２およびマイクロ波導入部２６それぞれの外周部分に固定されている。側壁部２０は、例えばステンレス鋼またはアルミニウムのような非磁性金属材料で形成される。   The plasma chamber 12 includes an ion extraction unit 22 and a microwave introduction unit 26. The ion extraction unit 22 and the microwave introduction unit 26 are opposed to each other with the plasma generation space 14 interposed therebetween. The plasma chamber 12 includes a side wall portion 20 that connects the ion extraction portion 22 and the microwave introduction portion 26 and surrounds the plasma generation space 14. The side wall part 20 is fixed to the outer peripheral part of each of the ion extraction part 22 and the microwave introduction part 26. The side wall portion 20 is formed of a nonmagnetic metal material such as stainless steel or aluminum.

側壁部２０は、側壁部２０を冷却するための冷却部を備えてもよい。この冷却部は側壁部２０に内蔵されていてもよいし、側壁部２０の外側に付設されていてもよい。また、プラズマ室１２の側壁部２０をプラズマから保護するために、側壁部２０の内面を被覆する（例えば窒化ホウ素の）ライナが設けられていてもよい。   The side wall part 20 may include a cooling part for cooling the side wall part 20. This cooling part may be built in the side wall part 20 or may be attached outside the side wall part 20. Moreover, in order to protect the side wall part 20 of the plasma chamber 12 from a plasma, the liner (for example, boron nitride) which coat | covers the inner surface of the side wall part 20 may be provided.

マイクロ波導入部２６、イオン引出部２２、及び側壁部２０によってプラズマ室１２の中にプラズマ生成空間１４が画定されている。なおプラズマ室１２は、マイクロ波導入部２６、イオン引出部２２、及び側壁部２０が一体にプラズマ生成空間１４を囲むよう構成されているから、イオン引出部２２に接続される側壁部２０の末端はイオン引出部２２の一部であるとみなすこともできる。同様に、マイクロ波導入部２６に接続される側壁部２０の末端はマイクロ波導入部２６の一部であるとみなすこともできる。   A plasma generation space 14 is defined in the plasma chamber 12 by the microwave introduction part 26, the ion extraction part 22, and the side wall part 20. The plasma chamber 12 is configured such that the microwave introduction part 26, the ion extraction part 22, and the side wall part 20 integrally surround the plasma generation space 14, and thus the end of the side wall part 20 connected to the ion extraction part 22. Can also be considered part of the ion extraction section 22. Similarly, the end of the side wall part 20 connected to the microwave introduction part 26 can also be regarded as a part of the microwave introduction part 26.

プラズマ室１２は例えば円筒形状を有する。この場合、マイクロ波導入部２６及びイオン引出部２２は概ね円板形状であり、側壁部２０は概ね円筒である。なおプラズマ室１２は、プラズマを適切に収容し得る限り、いかなる形状であってもよい。   The plasma chamber 12 has, for example, a cylindrical shape. In this case, the microwave introduction part 26 and the ion extraction part 22 are substantially disk-shaped, and the side wall part 20 is substantially cylindrical. The plasma chamber 12 may have any shape as long as plasma can be appropriately accommodated.

マイクロ波導入部２６は、真空窓３２を備える。真空窓３２はプラズマ室１２の内部を真空に封じる。真空窓３２の一方の側がプラズマ生成空間１４に面しており、真空窓３２の他方の側がマイクロ波供給系または導波管３０に向けられている。マイクロ波の伝搬方向Ｃは真空窓３２に垂直である。本実施の形態では真空窓３２はマイクロ波導入部２６の全体を占めているが、真空窓３２はマイクロ波導入部２６の一部（例えば中心部）に形成されていてもよい。   The microwave introduction unit 26 includes a vacuum window 32. The vacuum window 32 seals the inside of the plasma chamber 12 to a vacuum. One side of the vacuum window 32 faces the plasma generation space 14, and the other side of the vacuum window 32 is directed to the microwave supply system or the waveguide 30. The propagation direction C of the microwave is perpendicular to the vacuum window 32. In the present embodiment, the vacuum window 32 occupies the entire microwave introduction part 26, but the vacuum window 32 may be formed in a part (for example, the central part) of the microwave introduction part 26.

プラズマ室１２へのマイクロ波の入射電力は例えば、約１００Ｗより大きい。あるいは、プラズマ室１２へのマイクロ波の入射電力は、約５００Ｗ以上または約１ｋＷ以上でもよい。このような高電力のマイクロ波の供給には、同軸線のような他の供給手段に比べて、導波管３０及び真空窓３２が適する。   The microwave incident power to the plasma chamber 12 is greater than about 100 W, for example. Alternatively, the microwave incident power to the plasma chamber 12 may be about 500 W or more, or about 1 kW or more. The waveguide 30 and the vacuum window 32 are suitable for supplying such a high-power microwave compared to other supply means such as a coaxial line.

真空窓３２は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または窒化ホウ素（ＢＮ）などの誘電体で形成されている。なお、真空窓３２はアルミナ層と窒化ホウ素層からなる二層構造を有していてもよい。例えば、アルミナからなる真空窓３２のうち、プラズマ生成空間１４に接する面に窒化ホウ素層を設ける。これにより、真空窓３２を被覆する窒化ホウ素層は、プラズマ室１２の外から引出開口２４を通じてプラズマ室１２に逆流する電子から真空窓３２を保護する。 The vacuum window 32 is made of a dielectric such as alumina (Al 2 O 3 ) or boron nitride (BN). The vacuum window 32 may have a two-layer structure including an alumina layer and a boron nitride layer. For example, a boron nitride layer is provided on the surface of the vacuum window 32 made of alumina in contact with the plasma generation space 14. Thereby, the boron nitride layer covering the vacuum window 32 protects the vacuum window 32 from electrons flowing back from the outside of the plasma chamber 12 to the plasma chamber 12 through the extraction opening 24.

一方、イオン引出部２２には少なくとも一つの引出開口２４が形成されている。引出開口２４は例えば、紙面に垂直な方向に細長いスリットである。引出開口２４はイオン引出部２２の中心部分に形成されている。引出開口２４は、プラズマ生成空間１４を挟んで真空窓３２に対向する位置に形成されている。真空窓３２、プラズマ生成空間１４、及び引出開口２４は、プラズマ室１２の中心軸に沿って配列されている。   On the other hand, at least one extraction opening 24 is formed in the ion extraction portion 22. The drawer opening 24 is, for example, a slit that is elongated in a direction perpendicular to the paper surface. The extraction opening 24 is formed in the central portion of the ion extraction portion 22. The extraction opening 24 is formed at a position facing the vacuum window 32 across the plasma generation space 14. The vacuum window 32, the plasma generation space 14, and the extraction opening 24 are arranged along the central axis of the plasma chamber 12.

プラズマ室１２は、正の高電圧を印加するための電源（不図示）に接続される。プラズマ室１２に高電圧が印加されるとき、その一部であるイオン引出部２２にも同じ高電圧が印加されるので、イオン引出部２２はプラズマ電極と呼ばれることもある。   The plasma chamber 12 is connected to a power source (not shown) for applying a positive high voltage. When a high voltage is applied to the plasma chamber 12, the same high voltage is also applied to the ion extraction part 22, which is a part of the plasma chamber 12. Therefore, the ion extraction part 22 may be called a plasma electrode.

引出開口２４の軸方向外側には、イオンをプラズマ室１２の外に引き出すための少なくとも一つの引出電極４０を有する引出電極系が設けられる。引出電極４０は、イオン引出部２２との間に軸方向に引出ギャップ４２を有して対向する。引出電極４０は、例えば環状に形成されており、プラズマ室１２から引き出されたイオンを通すための開口部４４をその中心部分に有する。また引出電極系は、引出電極４０に電位を印加するための引出電源（図示せず）を備える。   An extraction electrode system having at least one extraction electrode 40 for extracting ions to the outside of the plasma chamber 12 is provided outside the extraction opening 24 in the axial direction. The extraction electrode 40 is opposed to the ion extraction portion 22 with an extraction gap 42 in the axial direction. The extraction electrode 40 is formed, for example, in an annular shape, and has an opening 44 for allowing ions extracted from the plasma chamber 12 to pass through at the center thereof. The extraction electrode system includes an extraction power source (not shown) for applying a potential to the extraction electrode 40.

軸方向磁場発生器１６は、プラズマ室１２の側壁部２０を囲むように配設されている。軸方向磁場発生器１６は、プラズマ室１２の中心軸上において軸方向に向けられた磁場を発生させる。その磁力線方向を図１に矢印Ｂ１で示す。軸方向磁場発生器１６による磁力線方向Ｂ１は、マイクロ波の伝搬方向Ｃと同一の方向である。この磁場Ｂ１は、プラズマ室１２の中心軸上の少なくとも一部分において共鳴磁場またはそれよりも高強度である。なお、軸方向磁場発生器１６は、プラズマ室１２の軸線上の少なくとも一部分に共鳴磁場よりも低い磁場を発生させることも可能である。   The axial magnetic field generator 16 is disposed so as to surround the side wall portion 20 of the plasma chamber 12. The axial magnetic field generator 16 generates a magnetic field directed in the axial direction on the central axis of the plasma chamber 12. The direction of the line of magnetic force is indicated by an arrow B1 in FIG. The magnetic force line direction B1 by the axial magnetic field generator 16 is the same direction as the microwave propagation direction C. This magnetic field B1 has a resonance magnetic field or higher intensity at least at a part on the central axis of the plasma chamber 12. The axial magnetic field generator 16 can also generate a magnetic field lower than the resonance magnetic field in at least a part on the axis of the plasma chamber 12.

軸方向磁場発生器１６は、環状に形成される複数のコイル１６ａ，１６ｂを有する。複数のコイル１６ａ、１６ｂは、プラズマ室１２の周方向に導線が巻かれており、軸方向に異なる位置に配置される。例えば、第１コイル１６ａがイオン引出部２２の近くに配置され、第２コイル１６ｂがマイクロ波導入部２６の近くに配置される。複数のコイル１６ａ，１６ｂは協働してプラズマ室１２の内部に軸方向の磁場を発生させる。軸方向磁場発生器１６は、コイルに電流を流すためのコイル電源（図示せず）を有する。なお、軸方向磁場発生器１６は、一つのコイルで構成されてもよいし、コイルの代わりに永久磁石を備えてもよい。   The axial magnetic field generator 16 has a plurality of coils 16a and 16b formed in an annular shape. The plurality of coils 16a and 16b are wound with a conducting wire in the circumferential direction of the plasma chamber 12, and are arranged at different positions in the axial direction. For example, the first coil 16 a is disposed near the ion extraction unit 22, and the second coil 16 b is disposed near the microwave introduction unit 26. The plurality of coils 16 a and 16 b cooperate to generate an axial magnetic field inside the plasma chamber 12. The axial magnetic field generator 16 has a coil power source (not shown) for flowing a current through the coil. In addition, the axial direction magnetic field generator 16 may be comprised with one coil, and may be provided with a permanent magnet instead of a coil.

カスプ磁場発生器５０は、プラズマ室１２の側壁部２０を囲むように配設されており、軸方向磁場発生器１６よりも径方向内側の位置に配設される。カスプ磁場発生器５０は、後述する図４に示すように、軸方向と直交する平面内において円弧状に描かれるカスプ磁場Ｂ２（多重極磁場）を発生させる。カスプ磁場Ｂ２は、プラズマ室１２の内部で生成されるプラズマをプラズマ生成空間１４の中心軸付近に閉じ込めることによりプラズマの密度を高め、プラズマに含まれるイオンの衝突頻度が高くなるようにする。   The cusp magnetic field generator 50 is disposed so as to surround the side wall portion 20 of the plasma chamber 12, and is disposed at a position radially inward of the axial magnetic field generator 16. As shown in FIG. 4 described later, the cusp magnetic field generator 50 generates a cusp magnetic field B2 (multipole magnetic field) drawn in an arc shape in a plane orthogonal to the axial direction. The cusp magnetic field B2 increases the density of the plasma by confining the plasma generated inside the plasma chamber 12 near the central axis of the plasma generation space 14 so that the collision frequency of ions contained in the plasma increases.

カスプ磁場発生器５０は、磁石装置５２と、磁場増強体５４と、磁場遮蔽体５６と、切替装置５８とを含む。カスプ磁場発生器５０は、プラズマ室１２の内部に生じさせるカスプ磁場強度の切り替えが可能となるように構成される。   The cusp magnetic field generator 50 includes a magnet device 52, a magnetic field enhancing body 54, a magnetic field shield 56, and a switching device 58. The cusp magnetic field generator 50 is configured so that the cusp magnetic field strength generated in the plasma chamber 12 can be switched.

磁石装置５２は、カスプ磁場を発生させるための複数の磁極を有し、各磁極が側壁部２０の外周を囲むように周方向に並んで配置される。磁石装置５２は、各磁極に対応する複数の磁石５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆにより構成される。複数の磁石５２ａ〜５２ｆのそれぞれは永久磁石であり、隣接する磁石の磁極の向きが交互となるように配置される。複数の磁石５２ａ〜５２ｆは、例えば、プラズマ室１２の軸方向に延在する棒状磁石である。図示する例では、６本の棒状磁石により磁石装置５２を構成しているが、変形例においては、異なる本数の棒磁石により磁石装置５２を構成してもよい。つまり、カスプ磁場の極数は６極に限られず、４極であってもよいし、８極、１０極または１２極以上であってもよい。   The magnet device 52 has a plurality of magnetic poles for generating a cusp magnetic field, and each magnetic pole is arranged side by side in the circumferential direction so as to surround the outer periphery of the side wall portion 20. The magnet device 52 includes a plurality of magnets 52a, 52b, 52c, 52d, 52e, and 52f corresponding to the magnetic poles. Each of the plurality of magnets 52a to 52f is a permanent magnet, and is arranged so that the directions of the magnetic poles of adjacent magnets are alternated. The plurality of magnets 52 a to 52 f are, for example, rod-shaped magnets extending in the axial direction of the plasma chamber 12. In the illustrated example, the magnet device 52 is configured by six bar-shaped magnets. However, in a modified example, the magnet device 52 may be configured by a different number of bar magnets. That is, the number of poles of the cusp magnetic field is not limited to 6, but may be 4 poles, 8 poles, 10 poles, or 12 poles or more.

磁石装置５２は、イオン引出部２２の近傍に配置され、例えば、図示されるようにイオン引出部２２の近傍の軸方向に限定された長さＬ１の範囲に配置される。磁石装置５２は、プラズマ生成空間１４のうちイオン引出部２２の近傍位置において強度の高いカスプ磁場が発生するようにする。磁石装置５２の軸方向の長さＬ１は、例えば、プラズマ室１２の軸方向の長さＬ０の１／３以上、１／２以下である。なお変形例においては、磁石装置５２の軸方向の長さがプラズマ室１２の長さの１／２以上であってもよいし、プラズマ室１２の長さの全体にわたって設けられてもよい。 The magnet device 52 is disposed in the vicinity of the ion extraction unit 22, for example, in the range of the length L 1 limited to the axial direction in the vicinity of the ion extraction unit 22 as illustrated. The magnet device 52 generates a high-intensity cusp magnetic field in the vicinity of the ion extraction unit 22 in the plasma generation space 14. The axial length L 1 of the magnet device 52 is, for example, not less than 1/3 and not more than 1/2 of the axial length L 0 of the plasma chamber 12. In the modification, the axial length of the magnet device 52 may be ½ or more of the length of the plasma chamber 12 or may be provided over the entire length of the plasma chamber 12.

磁場増強体５４は、磁石装置５２が発生させるカスプ磁場を増強するための磁性体構造である。磁場増強体５４は、側壁部２０の外周を囲むように配置され、側壁部２０と磁石装置５２の間に配置可能となるように構成される。磁場増強体５４は、プラズマ室１２の外周に沿って軸方向に移動可能となるように配置され、側壁部２０と磁石装置５２の間に挿入された状態と、側壁部２０と磁石装置５２の間から引き出された状態との間で配置が切り替えできるように構成される。磁場増強体５４は、例えば軸方向に配設されるボールねじ（不図示）に取り付けられ、ボールねじの回転により軸方向に移動可能となる。   The magnetic field enhancing body 54 is a magnetic body structure for enhancing the cusp magnetic field generated by the magnet device 52. The magnetic field enhancing body 54 is disposed so as to surround the outer periphery of the side wall portion 20, and is configured to be disposed between the side wall portion 20 and the magnet device 52. The magnetic field enhancing body 54 is disposed so as to be movable in the axial direction along the outer periphery of the plasma chamber 12, and is inserted between the side wall portion 20 and the magnet device 52, and between the side wall portion 20 and the magnet device 52. It is comprised so that arrangement | positioning can be switched between the states pulled out from between. The magnetic field enhancing body 54 is attached to, for example, a ball screw (not shown) disposed in the axial direction, and can move in the axial direction by the rotation of the ball screw.

磁場増強体５４は、複数の鉄芯５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ，５４ｅ，５４ｆを有する（図２参照）。複数の鉄芯５４ａ〜５４ｆは、磁石装置５２の各磁極、つまり、各磁石５２ａ〜５２ｆと対応するように周方向に間隔をあけて配置される。複数の鉄芯５４ａ〜５４ｆは、各磁石５２ａ〜５２ｆと同様に軸方向に延在する棒状の磁性体であり、例えばフェライトなどの鉄を含む強磁性体で構成される。複数の鉄芯５４ａ〜５４ｆは、各磁石５２ａ〜５２ｆの径方向内側の位置に配置されることにより各磁石５２ａ〜５２ｆがプラズマ室１２内に発生させる磁場強度を高める。   The magnetic field enhancing body 54 has a plurality of iron cores 54a, 54b, 54c, 54d, 54e, 54f (see FIG. 2). The plurality of iron cores 54a to 54f are arranged at intervals in the circumferential direction so as to correspond to the magnetic poles of the magnet device 52, that is, the magnets 52a to 52f. The plurality of iron cores 54a to 54f are rod-like magnetic bodies extending in the axial direction similarly to the magnets 52a to 52f, and are made of a ferromagnetic body containing iron such as ferrite, for example. The plurality of iron cores 54 a to 54 f are arranged at positions on the radially inner side of the respective magnets 52 a to 52 f, thereby increasing the magnetic field intensity generated by the respective magnets 52 a to 52 f in the plasma chamber 12.

磁場遮蔽体５６は、磁石装置５２が発生させるカスプ磁場を遮蔽するための磁性体構造である。磁場遮蔽体５６は、側壁部２０の外周を囲むように配置され、側壁部２０と磁石装置５２の間に配置可能となるように構成される。磁場遮蔽体５６は、磁場増強体５４と同様にプラズマ室１２の軸方向に移動可能となるように配置され、側壁部２０と磁石装置５２の間に配置された状態と、側壁部２０と磁石装置５２の間から引き出された状態との間で配置が切り替えできるように構成される。磁場遮蔽体５６は、例えば軸方向に配設されるボールねじ（不図示）に取り付けられ、ボールねじの回転により軸方向に移動可能となる。   The magnetic field shield 56 has a magnetic structure for shielding the cusp magnetic field generated by the magnet device 52. The magnetic field shield 56 is disposed so as to surround the outer periphery of the side wall portion 20, and is configured to be disposed between the side wall portion 20 and the magnet device 52. The magnetic field shield 56 is arranged so as to be movable in the axial direction of the plasma chamber 12 like the magnetic field enhancing body 54, and is disposed between the side wall part 20 and the magnet device 52, and the side wall part 20 and the magnet. The arrangement can be switched between the state pulled out from between the devices 52. The magnetic field shield 56 is attached to, for example, a ball screw (not shown) disposed in the axial direction, and can move in the axial direction by rotation of the ball screw.

磁場遮蔽体５６は、筒状の磁性体で構成され、側壁部２０の外周形状に対応した筒形状を有する。側壁部２０が円筒形状である場合、磁場遮蔽体５６も同様に円筒形状を有する。磁場遮蔽体５６は、例えば、フェライトなどの鉄を含む強磁性体で構成される。磁場遮蔽体５６は、側壁部２０と磁石装置５２の間に配置された場合に磁石装置５２からの磁力線の多くが通る磁路となり、磁場遮蔽体５６の内側、つまり、プラズマ室１２の内部にカスプ磁場が発生しないようにする。   The magnetic field shield 56 is made of a cylindrical magnetic body and has a cylindrical shape corresponding to the outer peripheral shape of the side wall portion 20. When the side wall portion 20 has a cylindrical shape, the magnetic field shield 56 also has a cylindrical shape. The magnetic field shield 56 is made of a ferromagnetic material including iron such as ferrite, for example. When the magnetic field shield 56 is disposed between the side wall portion 20 and the magnet device 52, the magnetic field shield 56 becomes a magnetic path through which most of the magnetic lines of force from the magnet device 52 pass, and inside the magnetic field shield 56, that is, inside the plasma chamber 12. Avoid cusp magnetic field.

磁場増強体５４と磁場遮蔽体５６は、図２に示されるような二重構造を形成している。図示する例では、磁場遮蔽体５６が径方向内側に配置され、磁場増強体５４が径方向外側に配置されている。変形例においては、磁場増強体５４と磁場遮蔽体５６の配置が逆であってもよく、磁場増強体５４が径方向内側に配置され、磁場遮蔽体５６が径方向外側に配置されてもよい。   The magnetic field enhancing body 54 and the magnetic field shielding body 56 form a double structure as shown in FIG. In the example shown in the figure, the magnetic field shield 56 is disposed on the radially inner side, and the magnetic field enhancing body 54 is disposed on the radially outer side. In a modification, the arrangement of the magnetic field enhancing body 54 and the magnetic field shielding body 56 may be reversed, the magnetic field enhancing body 54 may be arranged on the radially inner side, and the magnetic field shield body 56 may be arranged on the radially outer side. .

磁場増強体５４および磁場遮蔽体５６の表面には、非磁性材料の摺動層が設けられる。仮に、磁場増強体５４および磁場遮蔽体５６を構成する磁性体がそのまま露出していると、磁石装置５２の磁力によって隣接する磁性体同士がくっついてしまい、軸方向の移動に支障が生じたり、強力な磁力によって磁石装置５２、磁場増強体５４および磁場遮蔽体５６が損傷したりするおそれがあるためである。磁性体の表面に非磁性材料の層を設けることで、磁性体間に作用する磁力を緩和して軸方向の移動をスムーズにすることができる。摺動層に用いる非磁性材料として、例えば、ステンレス鋼やアルミニウムなどの非磁性金属材料、アルミナ、窒化ボロンなどのセラミック材料、フッ素樹脂などの樹脂材料を用いることができる。これら磁性体の摺動面に対して黒鉛（Ｃ）や二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）などの固体潤滑剤を組み合わせて用いてもよい。 On the surfaces of the magnetic field enhancing body 54 and the magnetic field shielding body 56, a sliding layer of a nonmagnetic material is provided. If the magnetic bodies constituting the magnetic field enhancing body 54 and the magnetic field shielding body 56 are exposed as they are, the adjacent magnetic bodies are adhered to each other due to the magnetic force of the magnet device 52, and the movement in the axial direction is hindered. This is because the magnetic device 52, the magnetic field enhancing body 54, and the magnetic field shield 56 may be damaged by the strong magnetic force. By providing a nonmagnetic material layer on the surface of the magnetic body, the magnetic force acting between the magnetic bodies can be relaxed and the movement in the axial direction can be made smooth. As the nonmagnetic material used for the sliding layer, for example, a nonmagnetic metal material such as stainless steel or aluminum, a ceramic material such as alumina or boron nitride, or a resin material such as fluororesin can be used. A solid lubricant such as graphite (C) or molybdenum disulfide (MoS 2 ) may be used in combination with the sliding surfaces of these magnetic materials.

切替装置５８は、磁場増強体５４および磁場遮蔽体５６の配置を変えてプラズマ室１２のカスプ磁場強度を切り替える。切替装置５８は、磁場増強体５４および磁場遮蔽体５６を移動させるためのモータなどを有し、外部からの制御信号に基づいてモータを駆動させて磁場増強体５４および磁場遮蔽体５６を移動させる。切替装置５８は、磁場増強体５４および磁場遮蔽体５６をそれぞれ独立に移動できるように構成される。切替装置５８は、磁場増強体５４および磁場遮蔽体５６の配置を変更した後、磁場増強体５４および磁場遮蔽体５６を固定してその配置が維持できるように構成される。   The switching device 58 switches the cusp magnetic field strength of the plasma chamber 12 by changing the arrangement of the magnetic field enhancing body 54 and the magnetic field shielding body 56. The switching device 58 includes a motor for moving the magnetic field enhancing body 54 and the magnetic field shielding body 56, and moves the magnetic field enhancing body 54 and the magnetic field shielding body 56 by driving the motor based on a control signal from the outside. . The switching device 58 is configured to be able to move the magnetic field enhancing body 54 and the magnetic field shield 56 independently of each other. The switching device 58 is configured so that the arrangement of the magnetic field enhancement body 54 and the magnetic field shield 56 can be fixed and maintained after the arrangement of the magnetic field enhancement body 54 and the magnetic field shield 56 is changed.

なお、切替装置５８の構成は特に限られず、磁場増強体５４および磁場遮蔽体５６の配置を変更することのできる任意の機構を用いてもよい。また、切替装置５８が設けられる位置は特に限定されず、側壁部２０の外周に設けられてもよいし、別の位置に設けられてもよい。図示する例において、切替装置５８は側壁部２０の外周を囲うようにマイクロ波導入部２６の近傍に配置され、磁場増強体５４および磁場遮蔽体５６をイオン引出部２２の近傍の位置からマイクロ波導入部２６側へ軸方向に移動できるように構成される。   The configuration of the switching device 58 is not particularly limited, and any mechanism that can change the arrangement of the magnetic field enhancing body 54 and the magnetic field shield 56 may be used. The position where the switching device 58 is provided is not particularly limited, and may be provided on the outer periphery of the side wall portion 20 or may be provided at another position. In the illustrated example, the switching device 58 is disposed in the vicinity of the microwave introduction unit 26 so as to surround the outer periphery of the side wall portion 20, and the magnetic field enhancement body 54 and the magnetic field shield 56 are moved from the position in the vicinity of the ion extraction unit 22 to the microwave. It is comprised so that it can move to an introduction part 26 side in an axial direction.

マイクロ波イオン源１０は、プラズマの原料ガスをプラズマ室内に供給するためのガス供給系（不図示）を備える。ガス供給系は、生成すべきイオン種に応じて適切な原料ガスをプラズマ室内に供給する。原料ガスとして、例えば、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、アルシン（ＡｓＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）などを用いる。ガス供給系は、原料ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）などの希ガスをプラズマ生成空間１４に供給してもよい。 The microwave ion source 10 includes a gas supply system (not shown) for supplying a plasma source gas into the plasma chamber. The gas supply system supplies an appropriate source gas into the plasma chamber according to the ion species to be generated. For example, boron trifluoride (BF 3 ), diborane (B 2 H 6 ), arsine (AsH 3 ), phosphine (PH 3 ), or the like is used as the source gas. The gas supply system may supply a rare gas such as helium (He), neon (Ne), or argon (Ar) as a source gas to the plasma generation space 14.

つづいて、カスプ磁場発生器５０の動作について説明する。図１および図２は、磁場増強体５４および磁場遮蔽体５６が側壁部２０と磁石装置５２の間に配置された第１状態を示しており、磁場遮蔽体５６によりカスプ磁場が遮蔽された状態を示す。第１状態では、プラズマ室１２と磁石装置５２の間に筒状の磁場遮蔽体５６が配置されているため、磁石装置５２が発生するカスプ磁場はプラズマ室１２の内部に入り込めないか、入り込んだとしてもプラズマ室１２の内部のカスプ磁場強度が弱められる。   Next, the operation of the cusp magnetic field generator 50 will be described. 1 and 2 show a first state in which the magnetic field enhancing body 54 and the magnetic field shielding body 56 are disposed between the side wall portion 20 and the magnet device 52, and the cusp magnetic field is shielded by the magnetic field shielding body 56. Indicates. In the first state, since the cylindrical magnetic field shield 56 is disposed between the plasma chamber 12 and the magnet device 52, the cusp magnetic field generated by the magnet device 52 cannot enter the plasma chamber 12 or enters. Even so, the cusp magnetic field strength inside the plasma chamber 12 is weakened.

図３は、プラズマ室１２内にカスプ磁場を印加する場合の磁性体の配置を模式的に示す。図４は、図３のプラズマ室１２内に印加されるカスプ磁場Ｂ２を模式的に示すＢ−Ｂ線断面図である。図３および図４は、磁場増強体５４および磁場遮蔽体５６が側壁部２０と磁石装置５２の間から軸方向に引き出された第２状態を示している。切替装置５８は、磁場増強体５４および磁場遮蔽体５６を軸方向に移動させ、磁石装置５２が配置される軸方向の長さＬ０の範囲の外側に移動させている。側壁部２０と磁石装置５２の間から磁性体を退避させることで、プラズマ室１２内に磁石装置５２によるカスプ磁場を印加することができる。 FIG. 3 schematically shows the arrangement of magnetic bodies when a cusp magnetic field is applied to the plasma chamber 12. 4 is a cross-sectional view taken along line BB schematically showing the cusp magnetic field B2 applied in the plasma chamber 12 of FIG. 3 and 4 show a second state in which the magnetic field enhancing body 54 and the magnetic field shielding body 56 are pulled out from between the side wall 20 and the magnet device 52 in the axial direction. The switching device 58 moves the magnetic field enhancing body 54 and the magnetic field shielding body 56 in the axial direction, and moves them outside the range of the axial length L 0 where the magnet device 52 is disposed. By retracting the magnetic material from between the side wall 20 and the magnet device 52, a cusp magnetic field by the magnet device 52 can be applied to the plasma chamber 12.

図５は、プラズマ室１２内に印加するカスプ磁場を増強する場合の磁性体の配置を模式的に示す。図６は、図５のプラズマ室１２内に印加されるカスプ磁場Ｂ２を模式的に示すＣ−Ｃ線断面図である。図５および図６は、磁場増強体５４が側壁部２０と磁石装置５２の間に挿入される一方、磁場遮蔽体５６が側壁部２０と磁石装置５２の間から引き出された第３状態を示している。第３状態では、磁場遮蔽体５６が側壁部２０と磁石装置５２の間から退避されているため、プラズマ室１２内にカスプ磁場Ｂ２を発生させることができる。また、磁場増強体５４が側壁部２０と磁石装置５２の間に配置されているため、磁石装置５２の磁力が増強され、図４に示す第２状態と比べて高強度のカスプ磁場Ｂ２をプラズマ室１２内に印加することができる。   FIG. 5 schematically shows the arrangement of the magnetic bodies when the cusp magnetic field applied to the plasma chamber 12 is enhanced. FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line C-C schematically showing the cusp magnetic field B2 applied in the plasma chamber 12 of FIG. 5 and 6 show a third state in which the magnetic field enhancing body 54 is inserted between the side wall portion 20 and the magnet device 52, while the magnetic field shield 56 is drawn out between the side wall portion 20 and the magnet device 52. ing. In the third state, since the magnetic field shield 56 is retracted from between the side wall 20 and the magnet device 52, the cusp magnetic field B2 can be generated in the plasma chamber 12. Further, since the magnetic field enhancing body 54 is disposed between the side wall portion 20 and the magnet device 52, the magnetic force of the magnet device 52 is enhanced, and the cusp magnetic field B2 having a higher strength than that in the second state shown in FIG. It can be applied in the chamber 12.

つづいて、本実施の形態に係るマイクロ波イオン源１０が奏する効果について説明する。プラズマ室１２に印加されるカスプ磁場は、プラズマ室１２の内部で生成されるプラズマをプラズマ室１２の中心軸付近に閉じ込め、カスプ磁場がない場合よりもプラズマの密度を高めてプラズマ中の粒子の衝突頻度を高める働きがある。プラズマの密度が高く粒子の衝突頻度が高い場合、原料ガスが十分に分解されやすく、価数の高いイオン（例えば、２価、３価など）が生成されやすい傾向となる。一方で、プラズマの密度が低く粒子の衝突頻度が低い場合、原料ガスの分解が進まずにガス分子のままイオン化されやすく、価数の低いイオン（例えば、１価）が生成されやすい傾向となる。   Next, the effect produced by the microwave ion source 10 according to the present embodiment will be described. The cusp magnetic field applied to the plasma chamber 12 confines the plasma generated inside the plasma chamber 12 near the central axis of the plasma chamber 12 and raises the density of the plasma as compared with the case where there is no cusp magnetic field, so that the particles in the plasma It works to increase the collision frequency. When the density of plasma is high and the collision frequency of particles is high, the source gas is easily decomposed, and ions with a high valence (for example, divalent, trivalent, etc.) tend to be generated. On the other hand, when the density of plasma is low and the collision frequency of particles is low, decomposition of the raw material gas does not proceed and the gas molecules are easily ionized and ions with a low valence (for example, monovalent) tend to be generated. .

マイクロ波イオン源１０のプラズマ室１２からは、使用目的に合った価数、種類のイオンが引き出されることが望ましい。例えば、原料ガスとして三フッ化ホウ素（ＢＦ３）を用いる場合、Ｂ＋、Ｂ２＋、ＢＦ２ ＋などのイオンが生成されるが、使用目的によっては、１価のＢ＋イオンを用いる場合もあれば、２価のＢ２＋イオンが必要となる場合がある。また原料ガスとしてジボラン（Ｂ２Ｈ６）を用いる場合、三フッ化ホウ素を用いる場合と原料ガスの分解に必要なエネルギーが異なるため、同じ磁場分布を実現したとしても得られるイオンの種類および価数が異なりうる。同じ１価のＢ＋イオンの引き出そうとする場合であっても、原料ガスが異なれば最適な磁場強度分布が異なりうる。その結果、特定の原料ガスを用いて特定の価数、種類のイオンを引き出すように最適されたイオン源の場合、カスプ磁場の切り替えができなければ、異なる原料ガスを用いたり、異なる価数、種類のイオンを引き出したりすることが難しい。仮に、カスプ磁場の切り替えをするためにイオン源の運転を停止してプラズマ室の外周に配設されるカスプ磁場発生器を着脱しなければならないとすると、大きな労力がかかる。 From the plasma chamber 12 of the microwave ion source 10, it is desirable to extract ions of a valence and a kind suitable for the purpose of use. For example, when using boron trifluoride as a raw material gas (BF 3), B +, B 2+, although ions such as BF 2 + are produced, depending on the intended use, even when using a monovalent B + ions If present, divalent B 2+ ions may be required. In addition, when diborane (B 2 H 6 ) is used as a source gas, the energy and energy required for decomposition of the source gas are different from those when boron trifluoride is used. The number can be different. Even when the same monovalent B + ions are to be extracted, the optimum magnetic field strength distribution can be different if the source gas is different. As a result, in the case of an ion source optimized to extract a specific valence and type of ions using a specific source gas, if the cusp magnetic field cannot be switched, a different source gas can be used, a different valence, It is difficult to extract different types of ions. If the operation of the ion source must be stopped and the cusp magnetic field generator disposed on the outer periphery of the plasma chamber must be attached and detached in order to switch the cusp magnetic field, a great effort is required.

一方、本実施の形態に係るマイクロ波イオン源１０によれば、カスプ磁場発生器５０の磁性体の配置を第１状態、第２状態および第３状態の間で切り替えることにより、プラズマ室１２内のカスプ磁場強度を切り替えることができる。これにより、プラズマ室１２から引き出されるイオンの引出態様が適切となるようにプラズマ室１２のカスプ磁場強度を調整することができる。特に、マイクロ波イオン源１０の外部からの制御信号によりカスプ磁場発生器５０の磁性体の配置を切り替えできるため、プラズマ室１２を真空状態に維持したままプラズマ室１２内のカスプ磁場強度を調整することができる。   On the other hand, according to the microwave ion source 10 according to the present embodiment, the arrangement of the magnetic material of the cusp magnetic field generator 50 is switched between the first state, the second state, and the third state, so that the inside of the plasma chamber 12 The cusp magnetic field strength can be switched. Thereby, the cusp magnetic field strength of the plasma chamber 12 can be adjusted so that the extraction mode of ions extracted from the plasma chamber 12 is appropriate. In particular, since the arrangement of the magnetic material of the cusp magnetic field generator 50 can be switched by a control signal from the outside of the microwave ion source 10, the cusp magnetic field strength in the plasma chamber 12 is adjusted while the plasma chamber 12 is maintained in a vacuum state. be able to.

また本実施の形態によれば、カスプ磁場発生器５０がプラズマ室１２のイオン引出部２２の近傍に配置されるため、イオン引出部２２の近傍におけるカスプ磁場強度を切り替えることができる。そのため、イオン引出部２２の近傍位置で生成されるプラズマの状態を適切に制御し、イオン引出部２２から引き出されるイオンの引出態様を好適に制御することができる。   In addition, according to the present embodiment, since the cusp magnetic field generator 50 is disposed in the vicinity of the ion extraction unit 22 of the plasma chamber 12, the cusp magnetic field strength in the vicinity of the ion extraction unit 22 can be switched. Therefore, it is possible to appropriately control the state of the plasma generated in the vicinity of the ion extraction unit 22 and to appropriately control the extraction mode of ions extracted from the ion extraction unit 22.

また本実施の形態によれば、軸方向磁場発生器１６が複数のコイル１６ａ，１６ｂを有するため、各コイルに流す電流量を個別に制御することで、軸方向の磁場強度分布を調整することができる。カスプ磁場発生器５０により発生するカスプ磁場強度と軸方向磁場発生器１６による軸方向磁場強度分布の双方を適切に制御することにより、イオン引出部２２から引き出されるイオンの引出態様をより精密に制御することができる。   Further, according to the present embodiment, since the axial magnetic field generator 16 includes the plurality of coils 16a and 16b, the magnetic field strength distribution in the axial direction can be adjusted by individually controlling the amount of current flowing through each coil. Can do. By properly controlling both the cusp magnetic field strength generated by the cusp magnetic field generator 50 and the axial magnetic field strength distribution by the axial magnetic field generator 16, the extraction mode of ions extracted from the ion extraction unit 22 can be controlled more precisely. can do.

（変形例）
図７（ａ）および図７（ｂ）は、変形例に係るカスプ磁場発生器１５０の構成を模式的に示す断面図である。本変形例では、磁場増強体１５４が筒状に形成されており、磁場増強体１５４を周方向（Ｒ方向）に回転させることによってカスプ磁場強度の切り替えを実現する点で上述の実施の形態と相違する。以下、カスプ磁場発生器１５０について、上述の実施の形態に係るカスプ磁場発生器５０との相違点を中心に説明する。 (Modification)
FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views schematically showing the configuration of a cusp magnetic field generator 150 according to a modification. In the present modification, the magnetic field enhancing body 154 is formed in a cylindrical shape, and the cusp magnetic field strength is switched by rotating the magnetic field enhancing body 154 in the circumferential direction (R direction). Is different. Hereinafter, the cusp magnetic field generator 150 will be described focusing on differences from the cusp magnetic field generator 50 according to the above-described embodiment.

カスプ磁場発生器１５０は、磁石装置５２と、磁場増強体１５４と、磁場遮蔽体５６と、切替装置５８とを含む。磁石装置５２、磁場遮蔽体５６および切替装置５８は、上述の実施の形態と同様に構成される。磁場増強体１５４は、複数の鉄芯１５４ａ，１５４ｂ，１５４ｃ，１５４ｄ，１５４ｅ，１５４ｆと、非磁性体１５４ｇとを有する。複数の鉄芯１５４ａ〜１５４ｆは、上述の実施の形態と同様に周方向に間隔をあけて配置され、軸方向に延在している。非磁性体１５４ｇは、略円筒形状を有し、各鉄芯１５４ａ〜１５４ｆを取り付けるための凹部または切り欠き部を有する。非磁性体１５４ｇは、各鉄芯１５４ａ〜１５４ｆの隙間を埋めるように設けられ、各鉄芯１５４ａ〜１５４ｆの間隔が維持されるようにして複数の鉄芯１５４ａ〜１５４ｆを構造的に支持する。   The cusp magnetic field generator 150 includes a magnet device 52, a magnetic field enhancement body 154, a magnetic field shield 56, and a switching device 58. The magnet device 52, the magnetic field shield 56, and the switching device 58 are configured in the same manner as in the above-described embodiment. The magnetic field enhancing body 154 includes a plurality of iron cores 154a, 154b, 154c, 154d, 154e, and 154f, and a non-magnetic body 154g. The plurality of iron cores 154a to 154f are arranged at intervals in the circumferential direction as in the above-described embodiment, and extend in the axial direction. The nonmagnetic body 154g has a substantially cylindrical shape, and has a recess or a notch for attaching the iron cores 154a to 154f. The nonmagnetic material 154g is provided so as to fill the gaps between the iron cores 154a to 154f, and structurally supports the plurality of iron cores 154a to 154f so that the interval between the iron cores 154a to 154f is maintained.

磁場増強体１５４は、側壁部２０と磁石装置５２の間において周方向に回転可能となるように構成される。磁場増強体１５４は、図７（ａ）に示すように、磁石装置５２の各磁極と複数の鉄芯１５４ａ〜１５４ｆの周方向の位置が一致する状態と、図７（ｂ）に示すように、磁石装置５２の各磁極と複数の鉄芯１５４ａ〜１５４ｆの周方向の位置がずれた状態との間で回転可能となるように構成される。   The magnetic field enhancing body 154 is configured to be rotatable in the circumferential direction between the side wall portion 20 and the magnet device 52. As shown in FIG. 7A, the magnetic field enhancing body 154 is in a state in which the magnetic poles of the magnet device 52 and the circumferential positions of the plurality of iron cores 154a to 154f coincide with each other, as shown in FIG. The magnetic device 52 is configured to be rotatable between the magnetic poles of the magnet device 52 and the plurality of iron cores 154a to 154f shifted in the circumferential direction.

切替装置５８は、磁場増強体１５４を回転させることにより複数の鉄芯１５４ａ〜１５４ｆを切り替える。切替装置５８は、磁場増強体１５４を図７（ａ）のように配置することで、プラズマ室１２内のカスプ磁場Ｂ２が増強されるようにする。また切替装置５８は、磁場増強体１５４を図７（ｂ）のように配置することで、プラズマ室１２内のカスプ磁場Ｂ２が増強されないようにする。   The switching device 58 switches the plurality of iron cores 154a to 154f by rotating the magnetic field enhancing body 154. The switching device 58 arranges the magnetic field enhancing body 154 as shown in FIG. 7A so that the cusp magnetic field B2 in the plasma chamber 12 is enhanced. Moreover, the switching device 58 arranges the magnetic field enhancing body 154 as shown in FIG. 7B so that the cusp magnetic field B2 in the plasma chamber 12 is not enhanced.

本変形例においても、上述の実施の形態と同様の効果を奏することができる。   Also in this modification, the same effect as the above-mentioned embodiment can be produced.

以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。   The present invention has been described based on the embodiments. It is understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes are possible, and various modifications are possible, and such modifications are within the scope of the present invention. It is a place.

上述の実施の形態および変形例においては、カスプ磁場発生器に磁場増強体と磁場遮蔽体の双方を設ける構成について説明した。さらなる変形例においては、磁場増強体と磁場遮蔽体のいずれか一方のみを設けてもよい。   In the above-described embodiment and modification, the configuration in which both the magnetic field enhancing body and the magnetic field shielding body are provided in the cusp magnetic field generator has been described. In a further modification, only one of the magnetic field enhancing body and the magnetic field shielding body may be provided.

上述の実施の形態および変形例においては、カスプ磁場を発生させる磁石装置とプラズマ室の間の磁性体の配置を切り替えることによりプラズマ室内のカスプ磁場強度を切り替える構成について説明した。さらなる変形例においては、カスプ磁場発生器の磁石装置を複数のコイルにより構成し、各コイルに流す電流量を変化させたり、各コイルの電流を遮断したりすることによりプラズマ室内のカスプ磁場強度を切り替えてもよい。   In the above-described embodiments and modifications, the configuration has been described in which the cusp magnetic field strength in the plasma chamber is switched by switching the arrangement of the magnetic body between the magnet device that generates the cusp magnetic field and the plasma chamber. In a further modification, the magnet device of the cusp magnetic field generator is composed of a plurality of coils, and the cusp magnetic field strength in the plasma chamber is increased by changing the amount of current flowing through each coil or cutting off the current in each coil. You may switch.

上述の実施の形態および変形例においては、カスプ磁場発生器の磁石装置がイオン引出部の近傍に配置され、磁場増強体と磁場遮蔽体がプラズマ室に沿ってマイクロ波導入部側に移動するように構成される場合を説明した。さらなる変形例においては、カスプ磁場発生器の磁石装置がプラズマ室の軸方向の長さの全体にわたって設けられてもよい。この場合、磁場増強体および磁場遮蔽体はプラズマ室の外周部から導波管の外周部に向けて軸方向に移動できるように構成されてもよい。   In the above-described embodiment and modification, the magnet device of the cusp magnetic field generator is arranged in the vicinity of the ion extraction unit so that the magnetic field enhancement body and the magnetic field shield move to the microwave introduction unit side along the plasma chamber. The case where it is configured is described. In a further variant, the magnet device of the cusp field generator may be provided over the entire axial length of the plasma chamber. In this case, the magnetic field enhancing body and the magnetic field shield may be configured to be movable in the axial direction from the outer peripheral portion of the plasma chamber toward the outer peripheral portion of the waveguide.

上述の実施の形態および変形例においては、磁場増強体や磁場遮蔽体の全体をプラズマ室と磁石装置の間に挿入する場合や、プラズマ室と磁石装置の間から完全に退避させる場合の配置について説明した。さらなる変形例においては、磁場増強体や磁場遮蔽体を部分的にプラズマ室と磁石装置の間に挿入してカスプ磁場強度を調整してもよい。例えば、磁石装置の軸方向の長さに対して半分程度の位置まで磁性体を挿入することにより、上述の第１状態と第２状態の中間のような配置を実現してもよい。磁性体の配置を段階的に調整できるようにすることで、より精密にカスプ磁場強度を制御することができる。   In the above-described embodiments and modifications, the arrangement when the entire magnetic field enhancing body or magnetic field shielding body is inserted between the plasma chamber and the magnet device or when completely retracted from between the plasma chamber and the magnet device. explained. In a further modification, the cusp magnetic field strength may be adjusted by partially inserting a magnetic field enhancing body or a magnetic field shielding body between the plasma chamber and the magnet device. For example, an intermediate arrangement between the first state and the second state described above may be realized by inserting the magnetic body to a position about half the axial length of the magnet device. The cusp magnetic field strength can be controlled more precisely by making it possible to adjust the arrangement of the magnetic material step by step.

１０…マイクロ波イオン源、１２…プラズマ室、１６…軸方向磁場発生器、２０…側壁部、２２…イオン引出部、２６…マイクロ波導入部、５２…磁石装置、５４…磁場増強体、５６…磁場遮蔽体、５８…切替装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Microwave ion source, 12 ... Plasma chamber, 16 ... Axial magnetic field generator, 20 ... Side wall part, 22 ... Ion extraction part, 26 ... Microwave introduction part, 52 ... Magnet apparatus, 54 ... Magnetic field enhancement body, 56 ... magnetic field shield, 58 ... switching device.

Claims (8)

プラズマ室内にマイクロ波を軸方向に導入するためのマイクロ波導入部と、前記マイクロ波導入部と前記軸方向に対向する位置に設けられるイオン引出部と、前記マイクロ波導入部と前記イオン引出部の間を接続する側壁部と、を有するプラズマ室と、
前記プラズマ室外に設けられ、前記プラズマ室内に軸方向磁場を発生させる軸方向軸方向磁場発生器と、
前記プラズマ室外に設けられ、前記プラズマ室内にカスプ磁場を発生させるカスプ軸方向磁場発生器と、を備え、
前記カスプ軸方向磁場発生器は、前記プラズマ室内のカスプ磁場強度の切り替えが可能となるように構成されることを特徴とするマイクロ波イオン源。 A microwave introduction part for introducing a microwave into the plasma chamber in the axial direction, an ion extraction part provided at a position facing the microwave introduction part in the axial direction, the microwave introduction part, and the ion extraction part A plasma chamber having a side wall connecting between the two,
An axial axial magnetic field generator provided outside the plasma chamber for generating an axial magnetic field in the plasma chamber;
A cusp axial magnetic field generator provided outside the plasma chamber and generating a cusp magnetic field in the plasma chamber;
The microwave ion source, wherein the cusp axial magnetic field generator is configured to be capable of switching a cusp magnetic field strength in the plasma chamber. 前記カスプ軸方向磁場発生器は、前記カスプ磁場を発生させるための複数の磁極を有する磁石装置と、前記側壁部と前記磁石装置の間に配置可能な一以上の磁性体と、前記一以上の磁性体の配置を変えて前記プラズマ室内のカスプ磁場強度を切り替える切替装置と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波イオン源。   The cusp axial magnetic field generator includes a magnet device having a plurality of magnetic poles for generating the cusp magnetic field, one or more magnetic bodies that can be disposed between the side wall portion and the magnet device, and the one or more magnetic devices. The microwave ion source according to claim 1, further comprising: a switching device that switches a cusp magnetic field intensity in the plasma chamber by changing a magnetic material arrangement. 前記一以上の磁性体は、前記側壁部の外周を囲むように配置される筒状の磁場遮蔽体を含み、
前記切替装置は、前記磁場遮蔽体を前記軸方向に移動させて前記プラズマ室内のカスプ磁場強度を切り替えることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波イオン源。 The one or more magnetic bodies include a cylindrical magnetic field shield disposed so as to surround an outer periphery of the side wall part,
The microwave ion source according to claim 2, wherein the switching device switches the cusp magnetic field strength in the plasma chamber by moving the magnetic field shield in the axial direction. 前記磁石装置の各磁極は、前記側壁部の外周を囲むように周方向に並んで配置され、前記軸方向に延在しており、
前記一以上の磁性体は、前記側壁部と前記磁石装置の間に設けられ、前記磁石装置の各磁極と対応するように周方向に間隔をあけて配置される複数の鉄芯を含み、
前記切替装置は、前記複数の鉄芯を前記軸方向または前記周方向に移動させて前記プラズマ室内のカスプ磁場強度を切り替えることを特徴とする請求項２または３に記載のマイクロ波イオン源。 Each magnetic pole of the magnet device is arranged side by side in the circumferential direction so as to surround the outer periphery of the side wall, and extends in the axial direction,
The one or more magnetic bodies include a plurality of iron cores provided between the side wall portion and the magnet device and arranged at intervals in the circumferential direction so as to correspond to the magnetic poles of the magnet device,
4. The microwave ion source according to claim 2, wherein the switching device switches the cusp magnetic field strength in the plasma chamber by moving the plurality of iron cores in the axial direction or the circumferential direction. 5. 前記磁石装置は、前記イオン引出部の近傍の前記軸方向に限定された範囲に配置され、
前記切替装置は、前記磁性体の少なくとも一つを前記イオン引出部の近傍から前記マイクロ波導入部側へ前記軸方向に移動させて前記プラズマ室内のカスプ磁場強度を切り替えることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載のマイクロ波イオン源。 The magnet device is arranged in a range limited to the axial direction in the vicinity of the ion extraction unit,
The switching device moves at least one of the magnetic bodies from the vicinity of the ion extraction unit to the microwave introduction unit in the axial direction to switch the cusp magnetic field strength in the plasma chamber. The microwave ion source according to any one of 2 to 4. 前記磁性体の表面に非磁性材料の摺動層が設けられることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載のマイクロ波イオン源。   The microwave ion source according to any one of claims 2 to 5, wherein a sliding layer of a nonmagnetic material is provided on a surface of the magnetic body. 前記軸方向磁場発生器は、前記軸方向に異なる位置に配置される複数のコイルを有し、前記複数のコイルの動作を制御して前記プラズマ室内の軸方向磁場の強度分布を切り替えることを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載のマイクロ波イオン源。   The axial magnetic field generator has a plurality of coils arranged at different positions in the axial direction, and controls the operation of the plurality of coils to switch the intensity distribution of the axial magnetic field in the plasma chamber. The microwave ion source according to any one of claims 2 to 6. イオン引出部を有するプラズマ室と、前記プラズマ室外に設けられ、前記プラズマ室内に磁場を発生させる磁石装置と、前記プラズマ室と前記磁石装置の間に配置可能に構成される磁性体と、を備えるイオン源を用いたイオン生成方法であって、
前記磁性体の配置を変えることにより前記イオン引出部から引き出されるイオンの引出態様を制御することを特徴とするイオン生成方法。 A plasma chamber having an ion extraction unit; a magnet device provided outside the plasma chamber for generating a magnetic field in the plasma chamber; and a magnetic body configured to be disposed between the plasma chamber and the magnet device. An ion generation method using an ion source,
An ion generation method characterized by controlling an extraction mode of ions extracted from the ion extraction unit by changing an arrangement of the magnetic body.
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